物理學(xué)上的四大神獸

在科學(xué)這座圣殿里，沒(méi)有蠻橫的神獸，只有馴服的寵物。

引言：神獸出沒(méi)的物理界

物理學(xué)上有四大神獸，芝諾的烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤的貓。分別對應著(zhù)微積分、經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)第2定律和量子力學(xué)。這四大神獸并不弱于傳說(shuō)中的青龍白虎朱雀玄武，芝諾的烏龜時(shí)空雙修能縮地成寸，拉普拉斯獸明察大道推演萬(wàn)物，麥克斯韋妖操控萬(wàn)物逆轉陰陽(yáng)，薛定諤的貓能制造宇宙超越生死。這四大神獸亦正亦邪，它既給聰明的科學(xué)家帶來(lái)困擾，也給企圖進(jìn)化成神的人類(lèi)指明了道路。

No.1

芝諾的烏龜

出生日期：公元前464

主人：芝諾

門(mén)派：先賢哲學(xué)

能力：縮地成寸

公元前464年，物理帝國的世紀運動(dòng)競技開(kāi)幕，芝諾之龜與海神之子阿喀琉斯賽跑。阿喀琉斯體格健壯，肌肉飽滿(mǎn)，四肢遒勁有力。芝諾之龜短小精悍，豆眼如炬，龜甲結實(shí)笨重。芝諾之龜以身體劣勢為由，申請提前奔跑100米。阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝諾之龜的十倍，便毫不猶豫地答應了。

比賽開(kāi)始，當阿喀琉斯追到100米時(shí)，烏龜已經(jīng)向前爬了10米；阿喀琉斯繼續追，而當他追完烏龜爬的10米時(shí)，烏龜又已經(jīng)向前爬了1米；阿喀琉斯只能再追向前面的1米，可烏龜又已經(jīng)向前爬了1/10米；就這樣，芝諾之龜總能與阿喀琉斯保持一個(gè)距離，不管這個(gè)距離有多小，但只要烏龜不停地奮力向前爬，阿喀琉斯就永遠也追不上烏龜！

盡管阿喀琉斯是全人類(lèi)最頂尖的英雄，但最終敗在芝諾之龜的四條小短腿之下，芝諾之龜從此暴得大名，無(wú)人匹敵。不僅在古希臘，同樣智者云集的東方文明，也對這只烏龜無(wú)可奈何，《莊子·天下篇》中提到：“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭”，其實(shí)也是這只龜的變種。

在現實(shí)世界中，這芝諾的烏龜看起來(lái)蠻不講理，因為隨便拉來(lái)一只烏龜，無(wú)論它跑多遠，6歲小兒都能追上踩扁它。而且，隨便建立一個(gè)簡(jiǎn)單的方程組t=s/(v1-v2)還能求出阿喀琉斯追上芝諾之龜的時(shí)間。

可物理帝國不一樣，萬(wàn)事萬(wàn)物需要嚴密地邏輯推理和證明才能存在。所以，即使我們輕而易舉地求出阿喀琉斯追上烏龜所花的時(shí)間，甚至惱羞成怒地踩死它，也仍不能證明他為何能追上。要想滅了它，必須把極限問(wèn)題解決了。可是從畢達哥拉斯到歐拉的數學(xué)大神們，無(wú)一人能破解極限問(wèn)題。因此，這毫無(wú)道理的芝諾之龜，以神獸姿態(tài)定居物理帝國2000年。

整整兩千年后，數學(xué)巨匠萊布尼茨與科學(xué)巨匠牛頓隔空修煉“微積分”，用微積分中的“極限”法門(mén)攻破了時(shí)空連續性。這讓大英雄阿喀琉斯終于在物理帝國的競技場(chǎng)里，追上芝諾之龜。然而人類(lèi)對這只千年老烏龜依然耿耿于懷，從哲學(xué)到前沿物理學(xué)，人們還常常拿它吵架。

No.2

拉普拉斯獸

出生日期：1814年

主人：拉普拉斯

門(mén)派：經(jīng)典力學(xué)

能力：善推演，能知萬(wàn)物

19世紀初，整個(gè)物理世界晴空萬(wàn)里，牛頓帶來(lái)萬(wàn)物光明，匍匐在老爵爺門(mén)下的拉普拉斯宣稱(chēng)，當下的客觀(guān)世界是過(guò)去的果和未來(lái)的因。這世間存在一種神獸，它神通廣大、無(wú)所不知。只要它愿意動(dòng)動(dòng)手指和眼睛，記錄下某一刻它能知道宇宙中每個(gè)原子確切的位置和動(dòng)量，就能用牛頓的簡(jiǎn)潔公式，瞬間算出宇宙的過(guò)去與未來(lái)。這就是大名鼎鼎的諦聽(tīng)神獸拉普拉斯，善推演，能知萬(wàn)物。

拉普拉斯的基本理論是：了解物質(zhì)前一刻的運動(dòng)狀態(tài)，就可以推出下一刻的運動(dòng)狀態(tài)，把整個(gè)宇宙的每一個(gè)粒子的運動(dòng)狀態(tài)確定以后，就可以推出下一刻的運動(dòng)狀態(tài)。

拉普拉斯是經(jīng)典力學(xué)在19世紀最厲害的馬前卒，他吸納畢達哥拉斯“萬(wàn)物皆數”之力，結合天體力學(xué)、概率論等思想精華，創(chuàng )造了宏觀(guān)經(jīng)典力學(xué)的守護神獸拉普拉斯獸，沉睡在威斯敏斯特大教堂里的祖師爺牛頓高興得合不攏嘴。因為，這說(shuō)明自己親手建立的經(jīng)典物理學(xué)帝國堅不可摧，無(wú)所不能。

可大部分的人類(lèi)卻沒(méi)有這么高興，如果人類(lèi)的所有命運都已經(jīng)被拉普拉斯妖算得清清楚楚，那我們還有什么活頭？必須得早點(diǎn)弄死它才行，不出一百年，熱力學(xué)和量子力學(xué)等新理論對其萬(wàn)箭齊發(fā)，以物理學(xué)家開(kāi)爾文以及量子力學(xué)的海森堡開(kāi)始聯(lián)手圍剿，這只無(wú)所不能的拉普拉斯妖最終一命嗚呼，和前面那只千年老烏龜相比，可以算是夭折在了襁褓里。

19世紀，建立在不可逆基礎上的熱力學(xué)大行其道，這讓以可逆性作為基石的拉普拉斯妖元氣大傷。20世紀，困擾人類(lèi)長(cháng)達百年的雙縫干涉實(shí)驗成功證明因果律在微觀(guān)世界徹底失效，而海森堡的測不準原理也說(shuō)明再厲害的神獸也無(wú)法看清微觀(guān)世界的全部面貌。

更悲傷的是，即使拉普拉斯妖已經(jīng)徹底死掉，不厚道的人類(lèi)也不愿給這個(gè)短命的神獸留下最后的尊嚴。因為，由宇宙最大熵、光速、以及將信息傳送通過(guò)一個(gè)普朗克長(cháng)度所需要的時(shí)間計算得來(lái)，拉普拉斯妖的算力上限已被證實(shí)約為10120比特，如此以來(lái)，那驚人的算力也不可能在物理帝國存在。

No.3

麥克斯韋妖

出生日期：1871年

主人：麥克斯韋

門(mén)派：熱力學(xué)

能力：逆轉時(shí)空

早在公元1200年，數以千計的科學(xué)家癡迷于永動(dòng)機不能自拔。到了19世紀，熱力學(xué)蓬勃發(fā)展，各類(lèi)永動(dòng)機被一一槍斃。這時(shí)候，讓愛(ài)因斯坦都崇拜不已的電磁學(xué)大牛麥克斯韋創(chuàng )立了物理學(xué)史上第三大神獸——麥克斯韋妖。如果這神獸真的存在，或許創(chuàng )立違背熱力學(xué)第2定律的永動(dòng)機就不是夢(mèng)了，走向熵寂的宇宙也有起死回生的可能。

麥克斯韋妖（Maxwell's demon），是在麥克斯韋假想的妖，能探測并控制單個(gè)分子運動(dòng)，麥克斯韋意識到自然界存在著(zhù)與熵增相拮抗的能量控制機制，但無(wú)法清晰說(shuō)明這種機制，只能詼諧假定一種“妖”。簡(jiǎn)單描述，一個(gè)絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由“妖”控制的一扇小“門(mén)”，麥克斯韋妖個(gè)頭迷你，沒(méi)啥特別的本事，但眼神好，反應敏捷，能準確地探測并控制單個(gè)分子運動(dòng)，迅速把快速移動(dòng)的分子從從左盒丟進(jìn)右盒，把慢速運動(dòng)的分子從右盒丟進(jìn)左盒。因此，這個(gè)小盒子不僅左右部分形成了溫差，還實(shí)現熵的自發(fā)減少。乍一看來(lái)，麥克斯韋妖擊敗熱力學(xué)第2定理不在話(huà)下，同時(shí)也讓烜赫一時(shí)的“熱寂說(shuō)”也多了一個(gè)反對勢力。麥克斯韋妖的物理學(xué)意義是讓混亂變得有序，避免封閉系統變成一潭死水。擴展到現實(shí)世界，那此神獸能就能操控萬(wàn)物，逆轉陰陽(yáng)。

盡管人們希望這帶領(lǐng)宇宙違背熱力學(xué)第2定律的麥氏小妖真的存在，但在紀律森嚴的物理帝國，心地單純的麥氏小妖同樣命途多舛，它困擾科學(xué)家150余年，迄今仍不知是死是活。20世紀50年代，信息熵的概念被提出。麥克斯韋妖若要實(shí)現熱力學(xué)上的熵減，勢必需要獲取分子運動(dòng)的信息，不耗損能量而獲得信息是不可能的，因此，在孤立系統中麥克斯韋妖不可能存在。歸根結底，這個(gè)兢兢業(yè)業(yè)的小妖精可能只是人類(lèi)想象中的救世主，不可能在時(shí)空中存在。

不過(guò)，信息論在熱力學(xué)這兒插了一腳后，麥克斯韋妖的存亡之戰愈加精彩。進(jìn)入21世紀，學(xué)界癡迷于研究熵減過(guò)程，麥克斯韋妖再現蹤跡。2007年2月發(fā)現一種人造麥克斯韋妖，通過(guò)“信息擒縱閥”使系統逐漸遠離平衡態(tài)，不過(guò)，這個(gè)人造麥克斯韋妖仍需要光作為能量源。

麥克斯韋妖是科學(xué)家眼中真正的救世主，如果它真的存在，那老人可以華發(fā)變成黑發(fā)，宇宙能從熵寂走向重生。從此，覆水可收，破鏡重圓。

No.4

薛定諤之貓

出生日期：1935年

主人：薛定諤

門(mén)派：量子力學(xué)

能力：超越生死

20世紀，物理帝國妖風(fēng)四起。一個(gè)毫無(wú)殺傷力但又難纏的神獸伴隨量子力學(xué)空降人間，這神獸誕生于史上最風(fēng)流的物理學(xué)家薛定諤的手上，遂名曰薛定諤之貓。

相比起前面那三個(gè)神通廣大的神獸們，薛定諤之貓命運最悲催，它既不能享受吞拿魚(yú)味兒的貓罐頭，也沒(méi)有貓奴給它獻殷勤，自始至終，它都活在物理帝國的刑場(chǎng)上，并練就了既死又活的本事。這個(gè)刑場(chǎng)是一個(gè)密室，刑具是錘子和毒藥瓶，這個(gè)錘子由電子開(kāi)關(guān)控制，而電子開(kāi)關(guān)又由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，貓必死無(wú)疑。不過(guò)，原子核的衰變是隨機事件。盡管人們能精確知道原子核衰變時(shí)刻的概率，卻無(wú)法判斷它具體何時(shí)衰變。所以，盡管薛定諤之貓必死無(wú)疑，人們卻無(wú)法得知它具體何時(shí)死亡。這么說(shuō)來(lái)，打開(kāi)密室前，這貓要么活著(zhù)，要么死去。

可事情卻沒(méi)這么簡(jiǎn)單，因為，這只悲摧的貓被賦予了量子世界的特異功能——量子疊加，在這貓身上，宏觀(guān)世界的因果律業(yè)已坍塌，只剩下一連串的概率波。所以，在被觀(guān)測之前，這貓都是既死又活、生死疊加。

雖然薛定諤創(chuàng )造這只神獸僅是為了方便吃瓜群眾們從宏觀(guān)尺度理解量子物理，但它很快成了大家的噩夢(mèng)，各類(lèi)解說(shuō)和研究紛至沓來(lái)。1957年，埃弗萊特用“多世界理論”給這只貓找到了歸宿。他認為，問(wèn)題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。薛定諤之貓是條活生生的生命，在它被觀(guān)測那一刻，世界分裂成了兩個(gè)版本，在A(yíng)版本中，貓活著(zhù)，而B(niǎo)版本中，貓死去。然而，盡管“多世界理論”非常優(yōu)美，卻被哥本哈根派這個(gè)量子力學(xué)頭號教派極力打壓，遂鮮為人知。所以，這只可憐的貓咪，依舊游蕩在人界、地獄之間的灰色空間。

盡管行走于生死邊界的貓從未見(jiàn)過(guò)，但實(shí)驗室的科學(xué)家卻異口同聲地證實(shí)他們見(jiàn)過(guò)薛定諤之貓的幽靈，你想象不出它活著(zhù)的樣子，但它卻實(shí)際存在。有了微觀(guān)世界的真實(shí)發(fā)現，又有團隊謀劃著(zhù)把薛定諤之貓徹底帶到宏觀(guān)世界，挑戰量子世界的邊界。

可迄今為止，量子理論盡管取得了偉大成就，但它仍然是物理帝國的一團烏云。也許，只有這兩個(gè)世界真正攜手的那一天，薛定諤之貓才能好好地安睡于天堂。

結語(yǔ)：科學(xué)當道，神獸已矣

除了這赫赫有名的四大神獸，物理學(xué)上還有很多魑魅魍魎，但無(wú)論什么樣的神獸，最終都會(huì )被大神賽先生收服。

芝諾的烏龜基本已經(jīng)死了，微積分的基礎便是建立在它的尸體上。

拉普拉斯獸大約在龐加萊時(shí)代就被混沌效應的引入給推翻了，再加上后來(lái)的海森堡的臨門(mén)一腳，拉普拉斯獸已經(jīng)逃回威斯特敏斯特教堂為爵爺守靈了。

麥克斯韋妖將信息論中的信息量定義與熱力學(xué)中的熵聯(lián)系了起來(lái)，尋求到了自己新的保護門(mén)派。

薛定諤的貓現在還是不知是死是活，躲在量子力派的屋檐下瑟瑟發(fā)抖，但大多數科學(xué)家喜歡上了這只寵物。

在科學(xué)這座莊嚴的殿堂里，沒(méi)有蠻橫的神獸，只有被馴服的寵物。

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